A qualidade da superfície é considerada um parâmetro crítico em relação ao desempenho de peças usinadas, tendo efeitos relevantes em várias propriedades
mecânicas, como vida em fadiga, resistência à corrosão e vida sob fluência. Outros atributos funcionais, como atrito, desgaste, lubrificação e condutividade térmica e elétrica também podem ser afetados. Por isso, um bom acabamento é de fundamental importância para garantir o desempenho funcional de peças mecânicas (GUPTA & SOOD, 2017).
Segundo Ratnam (2017), a rugosidade de uma superfície usinada é considerada como uma das principais características de um produto, uma vez que influencia diretamente na vida em fadiga, no coeficiente de atrito, na resistência ao desgaste e, pôr fim, na confiabilidade do produto durante o serviço.
A integridade superficial é o termo utilizado para denotar as condições e a qualidade de superfícies usinadas, e resulta da combinação do processo de deformação plástica, propagação de trincas, reações químicas e forma de energia empregada para a remoção do cavaco (Figura 16), e deve ser interpretada com elementos que descrevem a estrutura real da superfície e subsuperfície.
Figura 16 - Representação dos efeitos externos e efeitos internos da
superfície.
Fonte: Oliveira e Diniz, 2009.
Segundo Oliveira e Diniz (2009), as irregularidades podem ser classificadas de acordo com a superfície ou acabamento superficial como:
• Rugosidade superficial: são finas irregularidades resultantes de ação inerente do processo de corte, ou seja, marcas de avanço. A altura ou profundidade média dessas irregularidades são medidas em pequeno comprimento chamado “cut- off” (comprimento da amostra). Pode-se dizer que a rugosidade e ondulações
constituem a textura de uma superfície apesar de apresentarem outras caracterizações.
• Ondulações: consistem de irregularidades superficiais cujos espaçamentos são maiores em aproximadamente 1mm que o cutt-off, causado por deflexões e vibrações da ferramenta ou da peça.
• Marcas de avanço: denotam as direções das irregularidades superficiais, dependendo da orientação da peça e ferramenta de corte na máquina, ou do movimento relativo da peça e ferramenta.
• Falhas: são interrupções na topografia típica da superfície de um componente, sendo inesperadas e indesejáveis, causadas por defeitos tais como trincas, bolhas, inclusões que podem surgir durante o processo de corte.
A Figura 17 apresenta as irregularidades superficiais presentes em materiais usinados.
Figura 17 - Textura de uma superfície mostrando efeitos de rugosidade (A),
ondulações (B) e erro de forma (C).
Fonte: Oliveira e Diniz, 2009.
Para avaliar o acabamento superficial de um componente são utilizados alguns parâmetros de rugosidade e dentre todos, o mais amplamente utilizado é a rugosidade média (Ra). Esse parâmetro de rugosidade consiste na média aritmética dos valores absolutos das ordenadas de afastamento (Equação 1) em relação a linha média (Figura 18).
𝑅𝑎 =
1𝑙𝑚
∫ |𝑦(𝑥)|𝑑𝑥
𝑙𝑚
0 (1)
onde 𝑙𝑚 é o percurso da medição.
Figura 18 – Rugosidade Média (Ra)
Fonte: Amorim, 2002.
O valor de Ra é geralmente expresso em μm no sistema métrico e μin no sistema inglês, com os rugosímetros possuindo, geralmente, resoluções que vão de 0,1 a 0,001 μm.
Além do Ra, existem também outros parâmetros de avaliação de rugosidade, como o Ry e o Rz, por exemplo, que são os indicadores de amplitude do perfil de rugosidade superficial, ou seja, da altura das reentrâncias e saliências. O Ry (Figura 19) corresponde à diferença encontrada entre o ponto mais alto e o ponto mais baixo ao longo do perfil de rugosidade traçado.
Figura 19 – Parâmetro de Rugosidade Ry
Fonte: Senai (Modificado).
O Rz (Figura 20) é muito semelhante, porém para aumentar a representatividade da análise, considera a média dos cinco pontos mais altos e mais baixos do perfil antes de efetuar a diferença entre eles (PARRA et al., 2006).
Figura 20 – Parâmetro de Rugosidade Rz
Fonte: Senai (modificado)
Além desses anteriormente mencionados, existe também o parâmetro Rq (Figura 21), denominado rugosidade média quadrática, que representa o desvio padrão do perfil de rugosidade.
Figura 21 – Representação Rq
Fonte: ABNT NBR ISO 4287:2002
A rugosidade de uma peça, produzida pelo processo de torneamento de acabamento é mais difícil de controlar do que as dimensões físicas do produto, porque é afetada por vários fatores que podem ser divididos em quatro categorias, segundo Ratnam (2017):
a) Fatores devido a parâmetros de usinagem – como avanço, velocidade de corte e profundidade de corte.
b) Fatores devido aos parâmetros da ferramenta de corte – como desgaste da ferramenta, geometria da ferramenta, material da ferramenta e revestimento da ferramenta.
c) Fatores devido às condições de usinagem e máquina-ferramenta – como torneamento a seco ou molhado, tipo de fluido de corte, aplicação dos fluidos, rigidez e vibrações da máquina- ferramenta.
d) Fatores devido às propriedades do material da peça – tais como dureza, microestrutura, tamanho de grão e inclusões.
Entre os parâmetros mais comuns no processo de usinagem, o que tem maior influência no acabamento da superfície, e na precisão dimensional do produto usinado é o avanço, seguido da velocidade de corte e da profundidade de corte. Esses são os mais facilmente controlados, em comparação com outros parâmetros em um processo de torneamento. Existem diversos fatores na ferramenta de corte que influenciam o acabamento da superfície, entre eles a geometria, material, condições e revestimento das ferramentas (RATNAM, 2017).
A rugosidade influencia não apenas a precisão dimensional das peças usinadas, mas também suas propriedades, sendo um parâmetro importante para avaliar o desempenho das ferramentas de corte. A irregularidade de uma superfície é o resultado do processo de usinagem, incluindo a seleção ideal das condições de corte. No processo de torneamento de acabamento de aços, a rugosidade é bastante afetada por vários fatores, como avanço, raio da ponta, dureza do material, ângulos de corte e condições de corte (MUHL, 2019).
REIS et al. (2019), ao analisar o torneamento de um aço ABNT 4340 com a utilização de insertos de metal duro, observou que o aumento do avanço em cerca de 2,5 vezes levou a um ganho de 5 vezes na rugosidade média da superfície, concluindo que o avanço mostra-se como o parâmetro mais influente nessa variável, uma vez que a altura média dos vales das marcas de avanço tende a aumentar em proporção quadrática ao avanço.
Barbosa (2019), ao analisar a Influência dos parâmetros de usinagem na integridade superficial da liga biomédica de CoCr ASTM F75, utilizando ferramentas de metal duro, notou que o avanço exerceu influência significativa nos valores de
rugosidade superficial. Quando comparou os resultados que possuem a mesma velocidade de corte e avanços diferentes, observou que a condição com maior avanço resultou em uma rugosidade consideravelmente mais alta. Assim, afirmou, com uma confiabilidade de 95%, que o avanço interfere diretamente nos valores de rugosidade média.
Keblouti et al. (2017) comparando os efeitos dos parâmetros de corte na rugosidade no torneamento do aço AISI 52100, com dureza de 242 HV, perceberam que 93,97% da variação de Ra ,quando se usinou com metal duro revestido, era explicado pela modificação do avanço. E o segundo fator que interferiu na qualidade da superfície foi a velocidade de corte, contribuindo para a variação da qualidade superficial em 2,32% e 7,41% para inserto revestido e não revestido, respectivamente. Por fim, os autores também constataram que a profundidade de corte apresentou pouca influência sobre a rugosidade da superfície, com contribuição inferior a 2%, para ambas as ferramentas de corte analisadas.
Denkena et al. (2015), utilizaram ferramenta de metal duro para realizar o torneamento de acabamento interno do aço AISI 52100, visando analisar os efeitos dos parâmetros, como velocidade de corte, avanço e geometria de gume sobre a rugosidade. Os resultados apontaram que o avanço e o raio de gume são os principais fatores que influenciam a qualidade da superfície. Ao adotar maiores valores de avanço, a rugosidade aumentou devido as marcas deixadas sobre a superfície usinada. Já com valores mais baixos de avanço, a influência do raio de gume foi maior sobre a rugosidade. Para finalizar, os autores mencionam que baixos valores de rugosidade podem ser conseguidos com baixos valores de avanço e profundidade de corte, e raios de gume maiores.
Qehaja et al. (2015), utilizaram ferramentas de metal duro para torneamento a seco e observaram que o avanço é o parâmetro que tem o efeito mais significativo na rugosidade, seguido pelo raio da ponta e pelo tempo de corte. Para obter melhores acabamentos superficiais, os autores recomendam níveis mais elevados de velocidade de corte, profundidade de corte e níveis mais baixos de avanço.
Muhl (2019) estudou a otimização dos parâmetros de usinagem de acabamento através da rugosidade no torneamento de um aço ABNT 4340, analisando a interação entre a velocidade de corte e avanço sobre a rugosidade. Ao
analisar o comportamento obtido no gráfico de rugosidade média versus velocidade de corte e avanço, da Figura 22, o autor observou que a rugosidade mais baixa foi obtida com uma combinação de baixo avanço e alta velocidade de corte.
Figura 22 – Influência dos parâmetros de corte sobre a rugosidade Ra
Fonte: Muhl,2019.
Muhl (2019) afirma que o avanço tem o maior efeito sobre a rugosidade, uma vez que sua variação é muito alta quando comparado com os demais parâmetros, sendo o fator mais significativo. Em contrapartida, a rugosidade tem uma tendência a reduzir com o aumento da velocidade de corte, quando se utiliza baixos valores de avanço. Resultados esses que também estão de acordo com as pesquisas realizadas por Hessainia et al. (2013).
Kikukawa et al. (2019) ao analisarem o processo de torneamento em relação a rugosidade superficial de um aço SAE 1010, concluíram que quanto maior a rotação e menor o avanço, menor será o valor da rugosidade. E que a presença de fluido de corte não é o principal fator que influencia no acabamento superficial, uma vez que rotação e avanço possuem maior significância no acabamento superficial.
Telles (2018), ao avaliar a rugosidade no torneamento de acabamento em titânio, também analisou que na interação velocidade com o avanço, o aumento da velocidade de corte tende a diminuir a rugosidade para menor valor de avanço, ao
passo que, para avanço em nível alto, maior rugosidade é obtida com o incremento da velocidade, o que mostra o efeito de interação de uma variável de controle sobre a outra.
Segundo Korkut e Dornetas (2007), o acréscimo na velocidade de corte resultou em menor valor de rugosidade para o fresamento do aço ABNT 1020. A geometria da ferramenta tem um efeito significativo no desempenho da usinagem. Entre os vários parâmetros geométricos o ângulo de saída radial e raio da ferramenta são dos mais importantes, pois determinam, respectivamente, a área de contato entre cavaco e ferramenta e formação do cavaco e, portanto, afetam o consumo de energia. (RAO & REDDY, 2006)
Nalbant e Gokkaya (2007) concluíram que acréscimo do raio do inserto, a diminuição da velocidade de avanço e da profundidade de corte decrescem a rugosidade superficial. O avanço é o fator que mais a afeta a rugosidade superficial, e para um dado raio de ferramenta, varia com o quadrado da velocidade de avanço.
Amorim (2002), ao analisar o torneamento cilíndrico externo de um aço ABNT 1045, utilizando uma ferramenta de metal duro, notou uma queda na rugosidade do material no ensaio com aplicação da menor velocidade de corte (355m/min), o que ocorreu, segundo ele, devido ao desgaste mais lento do raio de ponta da ferramenta.
Pinto (2017) em seu trabalho, ao realizar o torneamento de um aço SAE 1045 com uma ferramenta de carboneto de tungstênio, observou que maiores valores de avanço, resultaram em um aumento dos valores de parâmetros de rugosidade. Além disso, percebeu que houve incremento do valor de ondulação da superfície da peça nas medições dos corpos de prova que sofreram aplicação de maior velocidade de corte.
Almeida (2010), ao estudar a rugosidade superficial de um aço ABNT 4140 submetido a usinagem com uma ferramenta de metal duro observou que o desgaste da aresta de corte da ferramenta não se relacionou com a rugosidade superficial da peça usinada. Além dele, Ferreira (2011) também chegou a mesma conclusão, utilizando os mesmos material, observando que o desgaste da ferramenta não teve uma relação direta com a rugosidade superficial da peça usinada.
Aouici (2013) afirma que a rugosidade de uma superfície aumenta com o aumento do avanço, devido a geração de sulcos helicoidais, resultado do movimento
da ferramenta sobre a superfície da peça. E esses sulcos tornam-se mais amplos e profundos à medida que o avanço aumenta.